CN113270790A - 百瓦级绿色激光系统及应用其的激光装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种百瓦级绿色激光系统及应用其的激光装置，包括：至少一个光纤模块，适用于发出准直激光，并锁定所述准直激光的波长；反射镜，适用于将所述准直激光的方向偏转90°，形成偏转激光，并输出所述偏转激光；偏振合束模块，适用于接受所述偏转激光及所述准直激光，将所述偏转激光及所述准直激光进行偏振合束，形成合束激光，并输出所述合束激光；聚焦透镜，适用于接受所述合束激光，将所述合束激光耦合至第一光纤。本公开的百瓦级绿色激光系统体积小、功率高、易调节，该绿色激光系统的结构简单，易于操作且具有模块化的优势，可使功率实现线性增加。

Description

百瓦级绿色激光系统及应用其的激光装置

技术领域

本公开涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种百瓦级绿色激光系统及应用其的激光装置。

背景技术

绿光半导体激光器发展缓慢，直到2009年才实现真正的绿光输出。截止目前绿光单管的最高输出功率为1.5W。激光显示以及泵浦钛宝石晶体等应用增大了对更高功率绿光半导体激光器的需求，目前绿色激光器主要可以通过固体激光器倍频，其功率低且存在较高的泵浦损耗。此外，现有绿色激光系统结构复杂、体积较大、功率低且操作繁琐。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提出了一种百瓦级绿色激光系统及应用其的激光装置，以至少解决上述现有技术中存在的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本公开提供了一种绿色激光系统，包括：

至少一个光纤模块，适用于发出准直激光，并锁定所述准直激光的波长；

反射镜，适用于将所述准直激光的方向偏转90°，形成偏转激光，并输出所述偏转激光；

偏振合束模块，适用于接受所述偏转激光及所述准直激光，将所述偏转激光及所述准直激光进行偏振合束，形成合束激光，并输出所述合束激光；

聚焦透镜，适用于接受所述合束激光，将所述合束激光耦合至第一光纤。

在本公开的一些实施例中，所述光纤模块包括：

体布拉格光栅；

至少一个激光模块，分别与所述体布拉格光栅相连，适用于发出激光，将所述激光转换成准直激光，并输出所述准直激光；所述至少一个激光模块沿所述激光的快轴方向等间距排列；其中，所述激光的波长为518～532nm，所述激光的功率为0～200W，所述至少一个激光模块输出的所述准直激光互不干扰。

在本公开的一些实施例中，所述激光模块包括：

半导体激光器，适用于发出激光，所述半导体激光器的前腔面镀有增透膜，所述半导体激光器的后腔面与所述体布拉格光栅形成谐振腔，所述谐振腔用于锁定所述激光的波长；

快轴准直镜，适用于接受所述半导体激光器发出的激光，将所述激光沿快轴方向转换成第一平行光束，并输出所述第一平行光束；

慢轴准直镜，适用于接受所述第一平行光束，将所述第一平行光束沿慢轴方向转换成第二平行光束；

转向镜，适用于接受所述第二平行光束，将所述第二平行光束的方向偏转90°，形成准直激光。

在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器沿所述快轴方向等间距排列。

在本公开的一些实施例中，所述快轴准直镜为非球面透镜或双胶合透镜。

在本公开的一些实施例中，所述慢轴准直镜为非球面透镜或双胶合透镜。

在本公开的一些实施例中，所述转向镜为45°反射镜、阶梯棱镜或直角棱镜中的一种或其组合。

在本公开的一些实施例中，所述半导体激光器表面涂设导热硅脂。

在本公开的一些实施例中，所述偏振合束模块包括：

半波片，适用于接受所述偏转激光，将所述偏转激光的偏振方向改变90°，形成第一激光，并输出所述第一激光；

偏振合束棱镜，适用于接受所述第一激光，将所述第一激光及所述准直激光进行偏振合束，形成所述合束激光，并输出所述合束激光。

本公开还提出了一种激光装置，包括：

夹具；

至少两个如权利要求1至9中任一项所述的百瓦级绿色激光系统，所述百瓦级绿色激光系统固定于所述夹具上；

光纤合束器，适用于将所述至少两个百瓦级绿色激光系统耦合入第二光纤中。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的百瓦级绿色激光系统及应用其的激光装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开的百瓦级绿色激光系统体积小、功率高、易调节，该绿色激光系统的结构简单，易于操作且具有模块化的优势。

(2)本公开的百瓦级绿色激光系统的可操作性强，调试方便，可使功率实现线性增加。

(3)本公开的激光装置具有小的光纤发散角，其输出的功率能满足泵浦钛宝石激光器及激光加工的要求。

附图说明

图1是本公开实施例中的百瓦级绿色激光系统的示意图；

图2是本公开实施例中的光纤模块示意图；

图3是本公开实施例中的激光模块示意图；

图4是本公开实施例中的激光装置示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-光纤模块；

101-体布拉格光栅；

102-激光模块；

1021-半导体激光器；

1022-快轴准直镜；

1023-慢轴准直镜；

1024-转向镜；

200-反射镜；

300-偏振合束模块；

301-半波片；

302-偏振合束棱镜；

400-聚焦透镜；

500-第一光纤；

600-夹具；

700-第二光纤；

800-光纤合束器。

具体实施方式

本公开提供了一种百瓦级绿色激光系统，包括：至少一个光纤模块、反射镜、偏振合束模块和聚焦透镜。至少一个光纤模块适用于发出准直激光，并锁定所述准直激光的波长；反射镜适用于将所述准直激光的方向偏转90°，形成偏转激光，并输出所述偏转激光；偏振合束模块适用于接受所述偏转激光及所述准直激光，将所述偏转激光及所述准直激光进行偏振合束，形成合束激光，并输出所述合束激光；聚焦透镜，适用于接受所述合束激光，将所述合束激光耦合至第一光纤。本公开的百瓦级绿色激光系统体积小、功率高、易调节，该绿色激光系统的结构简单，易于操作且具有模块化的优势，该系统调试方便，可使功率实现线性增加。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

本公开提供了一种百瓦级绿色激光系统，如图1所示，包括：至少一个光纤模块100、反射镜200、偏振合束模块300和聚焦透镜400。光纤模块100适用于发出准直激光，并锁定准直激光的波长；反射镜200适用于将准直激光的方向偏转90°，形成偏转激光，并输出偏转激光；偏振合束模块300适用于接受偏转激光及准直激光，将偏转激光及准直激光进行偏振合束，形成合束激光，并输出合束激光；聚焦透镜400适用于接受合束激光，将合束激光耦合至第一光纤500。该第一光纤500可选用105微米/0.22数值孔径的光纤。

如图1所示，偏振合束器包括半波片301和偏振合束棱镜302。半波片301适用于接受偏转激光，将偏转激光的偏振方向改变90°，形成第一激光，并输出第一激光。偏振合束棱镜302适用于接受第一激光，将述第一激光及准直激光进行偏振合束，形成合束激光，并输出合束激光。

如图2所示，光纤模块100包括：体布拉格光栅101和至少一个激光模块102，至少一个激光模块102分别与体布拉格光栅101相连。上述激光模块102适用于发出波长为518～532nm且功率为0～200W的激光，将激光转换成互不干扰的准直激光，并输出准直激光。该至少一个激光模块102沿激光的快轴方向等间距排列，如图2所示，快轴方向指垂直于半导体激光器中的增益芯片PN结平面的方向。

如图3所述，激光模块102包括：半导体激光器1021、快轴准直镜1022、慢轴准直镜1023和转向镜1024。上述半导体激光器1021、快轴准直镜1022、慢轴准直镜1023和转向镜1024可沿激光的慢轴方向等高度放置。半导体激光器1021适用于发出激光，例如：半导体激光器1021可为TO封装的绿光单管，该半导体激光器1021的前腔面镀有增透膜，且前腔面的反射率小于10％，半导体激光器1021的后腔面与体布拉格光栅101形成谐振腔，该谐振腔用于锁定激光的波长。图1中引入了八个光纤模块100，将上述八个光纤模块100分为两组，其中每组模块中的激光模块102的波长分别为518.0nm、521nm、524nm、527nm，波长锁定后的光谱宽度为0.05nm。

如图2所示，该半导体激光器1021沿激光的快轴方向等间距排列。此外，还可在半导体激光器1021表面涂设导热硅脂，以加快该半导体激光器1021的热量消散，进而保护半导体激光器1021，延长其使用寿命。

快轴准直镜1022适用于接受半导体激光器1021发出的激光，将激光沿快轴方向转换成第一平行光束，并输出第一平行光束。该快轴准直镜1022为具有消球差功能的非球面透镜或双胶合透镜。慢轴准直镜1023适用于接受第一平行光束，将第一平行光束沿慢轴方向转换成第二平行光束。该慢轴准直镜1023为具有消球差功能的非球面透镜或双胶合透镜。消球差功能可同时消除球面像差和慧星像差，进而进一步提高光束质量。

快慢轴透镜的后工作距离大于1.0mm，快慢轴焦距以及聚焦透镜400的焦距需要满足矩形光斑与圆形光纤匹配理论。作为优选，快轴准直镜1022的面型为非球面透镜、慢轴准直镜1023的面型为双胶合透镜。

转向镜1024适用于接受第二平行光束，将第二平行光束的方向偏转90°，形成准直激光。本实施例中的该转向镜1024为45°反射镜200，该转向镜1024还可为阶梯棱镜或直角棱镜。

本公开还提供了一种应用上述百瓦级绿色激光系统的激光装置，如图4所示，该激光装置包括：夹具600、百瓦级绿色激光系统和光纤合束器800。百瓦级绿色激光系统固定于上述夹具600上，本实施例中的夹具600的尺寸为：长12.0cm-14.0cm，宽度1.2cm-1.5cm，高度2.0cm-3.0cm，该夹具600的材料可选用黄铜。光纤合束器800适用于将至少两个百瓦级绿色激光系统耦合入第二光纤700中，该第二光纤700可选用270微米/0.15数值孔径的光纤。

如图4所示，本实施例中的激光装置包括三个百瓦级绿色激光系统，且光纤合束器800为带扩束功能的3×1光纤合束器，该光纤合束器800包括第一拉锥区、锥腰区、过渡区和第二拉锥区，其中锥腰区和过渡区通过光纤熔融区衔接。经带有扩束功能的3×1光纤合束器将三个百瓦级绿色激光系统耦合进270微米/0.15数值孔径的第二光纤700之中。该光纤合束器800通过熔融拉锥的方式将3个105微米/0.22数值孔径的第一光纤500与1个200微米/0.20数值孔径的过渡光纤连接起来，然后再对该过渡光纤进行拉锥将芯径扩大至270微米，从而将数值孔径缩小至0.15。

百瓦级绿色激光系统中的半导体激光器1021之间可以通过串联、并联、或者采用多个电源独立控制等方式进行连接。光谱合束后的光束质量与单个激光模块102的光束质量相同，且合束后的功率是所有光纤模块100的准直激光功率的叠加。

以下针对图1中的最下面一排的各光纤模块100为例进行具体说明。所示利用反射镜200和体布拉格光栅101将四个光纤模块100进行密集波光谱合束。四个光纤模块100通过体布拉格光栅101锁波之后的波长分别为518.0nm、521.0nm、524nm、527nm。利用45度反射镜200将此排中最左端的光纤模块100的光束偏转90度后，使用反射型体布拉格光栅101将与该最左端光纤模块100相连的光纤模块100的光束方向进行偏转，偏转后的方向与最左端光纤模块100的光束方向相同。其中体布拉格光栅101的参数以及入射角度的选择应该满足体布拉格光栅101的入射角公式。由于最左端光纤模块100的光束不满足体布拉格光栅101的入射角公式，因此该光束可以从该体布拉格光栅101上透射过去，从而实现光谱合束。其他除最左端的光纤模块100之外的光纤模块100的实施相同的方式。对相应最左端的光纤模块100的光束以高的透过率透过，透射效率为95％。而对其他三个光纤模块100的光束则以高的衍射效率进行衍射，衍射效率为96％。该其他三个光纤模块100中体布拉格光栅101的入射角度均不相同，通过调整体布拉格光栅101的角度和位置实现密集光谱合束。四个光纤模块100经过光谱合束之后的光束质量不变，光谱合束宽度小于10nm，但是总功率约为单个光纤模块100的四倍。

本公开的百瓦级绿色激光系统体积小、功率高、易调节，该绿色激光系统的结构简单，调试方便，可使功率实现线性增加，易于操作且具有模块化的优势。本公开的激光装置具有小的光纤发散角，其输出的功率能满足泵浦钛宝石激光器及激光加工的要求。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种百瓦级绿色激光系统，包括：

至少一个光纤模块，适用于发出准直激光，并锁定所述准直激光的波长；

反射镜，适用于将所述准直激光的方向偏转90°，形成偏转激光，并输出所述偏转激光；

偏振合束模块，适用于接受所述偏转激光及所述准直激光，将所述偏转激光及所述准直激光进行偏振合束，形成合束激光，并输出所述合束激光；

聚焦透镜，适用于接受所述合束激光，将所述合束激光耦合至第一光纤。

2.根据权利要求1所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述光纤模块包括：

体布拉格光栅；

至少一个激光模块，分别与所述体布拉格光栅相连，适用于发出激光，将所述激光转换成准直激光，并输出所述准直激光；所述至少一个激光模块沿所述激光的快轴方向等间距排列；其中，所述激光的波长为518～532nm，所述激光的功率为0～200W，所述至少一个激光模块输出的所述准直激光互不干扰。

3.根据权利要求2所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述激光模块包括：

半导体激光器，适用于发出激光，所述半导体激光器的前腔面镀有增透膜，所述半导体激光器的后腔面与所述体布拉格光栅形成谐振腔，所述谐振腔用于锁定所述激光的波长；

快轴准直镜，适用于接受所述半导体激光器发出的激光，将所述激光沿快轴方向转换成第一平行光束，并输出所述第一平行光束；

慢轴准直镜，适用于接受所述第一平行光束，将所述第一平行光束沿慢轴方向转换成第二平行光束；

转向镜，适用于接受所述第二平行光束，将所述第二平行光束的方向偏转90°，形成准直激光。

4.根据权利要求3所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述半导体激光器沿所述快轴方向等间距排列。

5.根据权利要求3所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述快轴准直镜为非球面透镜或双胶合透镜。

6.根据权利要求3所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述慢轴准直镜为非球面透镜或双胶合透镜。

7.根据权利要求3所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述转向镜为45°反射镜、阶梯棱镜或直角棱镜中的一种或其组合。

8.根据权利要求3所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述半导体激光器表面涂设导热硅脂。

9.根据权利要求1所述的一种百瓦级绿色激光系统，其中，所述偏振合束模块包括：

半波片，适用于接受所述偏转激光，将所述偏转激光的偏振方向改变90°，形成第一激光，并输出所述第一激光；

偏振合束棱镜，适用于接受所述第一激光，将所述第一激光及所述准直激光进行偏振合束，形成所述合束激光，并输出所述合束激光。

10.一种激光装置，包括：

夹具；

至少两个如权利要求1至9中任一项所述的百瓦级绿色激光系统，所述百瓦级绿色激光系统固定于所述夹具上；

光纤合束器，适用于将所述至少两个百瓦级绿色激光系统耦合入第二光纤中。

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